Что такое мозг?

1.

Есть ли мозг у растений и бактерий? 

Более века назад Чарльз Дарвин и его сын Фрэнсис провели аналогию, распространяя концепцию мозга на корни растений: «Едва ли будет преувеличением сказать, что кончик корешка, снабженный таким образом и обладающий способностью направлять движения смежных частей, действует подобно мозгу одного из низших животных; мозг находится в переднем конце тела, получает впечатления от органов чувств и направляет различные движения» (Baluška, F.,et.al., 2009). В свое время во Франции Альфред Бине написал книгу :«Психическая жизнь микроорганизмов» опубликовав ее в 1889 году, где он описал огромное разноорбразие форм поведения некоторых простейших под микроскопом (Binet, A., 1889). Бине, также стоял у истоков знаменитого теста IQ (коэффициента интеллекта). Более века спустя М. Гальперин передаст его бактериям и классифицирует их в соответствии с их типами поведения (Galperin, M. Y., 2005). Бине также определил два компонента в «психической жизни микроорганизмов»: с одной стороны, чувствительность, т. е. воздействие внешнего мира, ощущаемое организмом, и с другой стороны, моторику, воздействие микроорганизма на внешний мир. Идея существования «молекулярного мозга» спустя почти 100 лет появилась в статьях Адлера и Кошланда в начале 80-х годов прошлого века, предложивших рассмотреть аналогию между хемотаксисом и нейробиологией  (Koshland Jr, D. E., 1980; Adler, J., 1983). Гипотеза о наличии "молекулярного протомозга" была высказана в  в контексте бактериального хемотаксиса в начале XXI века (Stock, J., & Levit, M., 2000). Предполагалось, что эти "протомозговые структуры", состоящие из кластеров бактериальных хемотаксических рецепторов, контролируют подвижность бактерий в ответ на аттрактанты или репелленты. 

Как формировалась нейробиология? 

Декарт ввел «машинную метафору жизни» и внес вклад в "историю нервной системы". В своем «Трактате о человеке» он предположил, что «информация» перемещается между мозгом и мышцами через нервы. Микроскоп подтвердила эти наблюдения, а Левенгук (1695) показал, что нервы, выходящие из мозга, собраны в полые фибриллы . Однако только два столетия спустя Сантьяго Рамон-и Кахаль заложил основу для современной нейронауки, а Шерингтон ввел нас в современную нейробиологию, назвав «синапсом» то, что Кахаль ранее определил как «нервный сустав» (Sotelo, C., 2020) и показал, что все нервные системы образованы сетями независимых клеток: нейронами. Наблюдение за этими сетями позволило ему разработать свои знаменитые законы оптимизации нервных систем: оптимизацию пространства, материи и времени.  В этих сетях он также отметил, в каком направлении распространяются нервные импульсы. Однако он осознал сложность этих явлений, заметив, что нервная система также влияет на поведение периферических рецепторов. Таким образом, он  разработал интегративный подход, который можно считать началом системной нейробиологии. Ключевым вкладом в его понимание нервной системы является ее интеграция в эволюционный контекст. 

Каким образом нейроны взаимодействуют между собой? 

Сегодня все знания, касающиеся электрофизиологии мозга составляют основу вычислительной или системной нейронауки и современных теорий нейронного кодирования. В настоящее время хорошо известно, что нейроны общаются посредством последовательности электрических импульсов (спайков) или потенциалов действия (Hahn, G., et.al., 2019). Общий класс моделей для описания того, как нейроны генерируют спайки, называется "моделями интеграции и активации", одной из которых является набор дифференциальных уравнений Ходжкина-Хаксли (Timsit Y., уеюфдюб 2021). Известно, что нейроны можно разделить на два типа: ингибирующие и возбуждающие. Их коллективная активность может быть выведена из моделей интеграции и активации отдельных нейронов путем взвешивания связи нейронов с коэффициентами, которые зависят от силы ингибирующего и возбуждающего эффекта синапсов. Это, в свою очередь, может дать некоторое объяснение тому, как решения принимаются внутри мозга.

Каким образом взаимодействуют между собой нейроны при сенсорном восприятии и координации движений? 

Можно предположить, что активность совокупностей взаимодействующих нейронов будет представлять информацию ( в смысле теории информации ), поступающую из окружающей среды, которая будет иметь значение для принятия решений и функционирования всего организма. Так, во время сенсорного восприятия интенсивность стимула «кодируется» скоростью нервных импульсов с течением времени (Gerstner, W., et.al., 1997). Также считается, что интервалы между спайками отдельных нейронов также могут содержать некоторую информацию. Однако все еще ведутся споры о том, какое соответствующее количество извлекается из нейронной активности, которая используется для функционирования мозга : парадигмы «скорости кода» против временного кодирования или «кода спайка».Например, было показано, что сенсорная информация, такая как вкусовые ощущения, кодируется посредством временного кодирования (Di Lorenzo, P., et.al., 2009). Недавно было показано, что код синхронизации спайков также имеет решающее значение для координации движений (Putney, J.,et.al., 2019) (существуют некоторые случаи, когда код скорости недостаточен для различения внешних стимулов или когда наличие или отсутствие одного спайка и его синхронизация достаточно информативны для вывода об исходном сигнале). 

2.

Что понимается под термином "анатомический коннектом"? 

Когда речь идет о нейронных сетях и их связях, например, синаптических, обычно используют термин "коннектом"; этот "коннектом", называемый "анатомическим коннектомом", является структурным описанием мозга, и его свойства связности могут помочь выявить центральные узлы нейронов ( "графы" ) для интеграции информации, области сильно взаимосвязанных нейронов и важные пути информации (Rubinov, M., & Sporns, O., 2010). Сегодня разработано несколько терминов и инструментов для изучения коннектомов ("центральность", "малые миры", "сходство графов" и др.) (Van Den Heuvel, M. P., & Sporns, O., 2011). Примечательно, что поведение может изменять взаимосвязи структур, что приводит к новым связям ( и исследованиям) мозга и поведения через связь структуры и функции. В целом коннектом позволяет демонстрировать взаимодействия между соответствующими переменными, которые вступают в игру при функционировании «мозга». Вероятно, стоит обратится к понятию "функционального коннектома", которое может быть определено , поскольку оно опирается на статистический вывод; в более общем плане ( байесовский мозг можно рассматривать как унифицированную вычислительную структуру для того, что такое «мозг»).

Можно ли провести аналогию между сетями рибосомальных белков и сенсомоторными сетями мозга? 

 В рибосомах недавно были обнаружены новые типы молекулярных сетей. Эти «нейроноподобные» сети рибосомальных белков (r-белков) демонстрируют новые свойства по сравнению с другими «классическими» биологическими сетями (Barabasi, A. L., & Oltvai, Z. N., 2004): они образуют в основном постоянные соединения через длинные неупорядоченные нити и филогенетически консервативные крошечные интерфейсы, которые можно сравнить с «молекулярными синапсами». В силу аналогии с сенсомоторными сетями "сети r-белков" изначально предполагали метафору, которая постепенно эволюционировала от «нейроноподобных цепей» в молекулярном масштабе, до "молекулярного мозга". Данные сети эволюционировали для оптимизации взаимосвязей между функциональными центрами рибосом, тем самым представляя «функциональную» аналогию с простыми сенсомоторными сетями (Timsit, Y., et.al., 2021). Они также, вероятно, используют новый тип аллостерического механизма, включающего ключевые ароматические аминокислоты. Консервативные мотивы, образованные заряженными аминокислотами и π-системами, распределены по всем сетям и усложняются в ходе эволюции. Это говорит о том, что перенос заряда, распространение электростатических возмущений или даже квантовые явления способны распространять сигналы по всей сети, синхронизируя функциональные участкки рибосом или даже решая более сложные задачи. Однако,  в масштабе клетки нет четкого представления об анатомической сети взаимодействий между макромолекулами и мессенджерами, которые вмешиваются в клеточную сигнализацию, хотя есть убедительные доказательства того, что эта клеточная сигнализация является физической поддержкой для интеграции информации и принятия решений (Droulez, J.,et.al., 2015). Конечно, «молекулярные мозги» упускают из виду чрезвычайную сложность сетей, образованных нейронами. Клеточная стадия нейронных сетей и «черный ящик» того, что происходит в нейронах, усложняют ответ: как сигналы распространяются и интегрируются в сеть, и как когнитивные способности, такие как принятие решений и обучение, могут возникнуть из этого?

Связаны ли «информационные» молекулярные сети (постоянные или временные) с нервными цепями?

Каковы различия и сходства между сетями рибосомных белков и клеточными сигнальными сетями, и есть ли у них функциональные и эволюционные связи? представляется частным. Вполне возможно, что это сходство шлифовалось в процессе эволюции. Так, нервные системы метазоа и мозг заимствовали у клеточных сетей компоненты и механизмы в начале своей эволюции. Известно, что  нервная система метазоа, основанная на нейронных сетях, реализуетсенсомоторные функции. Однако, сложность поведения метазоа, по-видимому, связана с синаптической пластичностью (Grant, S. G., 2018). 

3.

Какие можно дать определения таким понятиям, как "мозг" и "психика"?

 Идея о наличии «молекулярного мозга» относится к концепции мозга, который все еще трудно определить. Сегодня предложено множество определений мозга, как, впрочем,  и "сознания" , эти определения соответствую своему ментальному пространству , сформированному понятиями разных направлений науки ( эволюционной биологии, нейробиологии, физиологии, психоанализом, физики, математики, астрофизики, "сетевой науки" и т.д.) и теологии. В «Вопросе без ответа» (Шарль Айвс, 1908) Вион-Дюри и Мужен спросили: «что же такое мозг?» в статье «Нейронаука без совести n'est que ruine de l'âme» (название, отсылающее к роману Франсуа Рабле «Пантагрюэль»). При этом авторы пришли к выводу, что современные нейронауки дают доступ только к «фрагментам опыта, к размытым и, возможно, ложным образам процессов, к далеким теням разума» (Lambert, X., 2019). Однако, и сегодня концепция мозга , по - прежнему, неосязаема и, возможно, столь же непонятна, как и понятия «психика » и "жизнь".

Почему при исследовании мозга важно рассматривать все его структурно-функциональные связи в совокупности? 

Функциональная активность мозга - глобальное явление, которое нельзя свести к тому, как его различные области функционируют по отдельности, поскольку отношение структура/функция пострадает от такого сведения. Другими словами, попытки найти связь между функцией, какого- либо региона мозга  и его локальной структурой не кажется убедительным, важнее понять, как этот регион мозга вписывается в отношении его структуры и функции во весь мозг.  Сравнительно легко исследовать анатомический коннектом, поскольку это глобальная структура, к которой можно получить доступ, например, с помощью структурной нейровизуализации ( диффузионное тензорное изображения). Однако знания о коннектоме недостаточно для понимания функции мозга, тем более в глобальном масштабе и, вероятно, функциональной нейровизуализации здесь недостаточно, как, впрочем, и сопоставления данных полученных с помощью различных методов структурной и функциональной нейровизуализации. Например, известно, что аномалии коннектома мозга связаны с психическими расстройствами ; однако, даже если мы и фиксируем модификации коннектома, нам трудно интерпретировать психическое расстройство в терминах коннкетома без базовой модели того, как эти дисфункции проявляются внешне ( психопатологическая симптоматика, паттерны поведения и пр.)  Однако, коннектом —- это информация, которую модели должны учитывать, именно, она  ограничивает сбор соответствующих моделей, чтобы они, в свою очередь, могли помочь понять пути интеграции информации.

Выводы 

Гипотеза о наличии "молекулярного протомозга" была высказана в  в контексте бактериального хемотаксиса в начале XXI века

Термин "анатомический коннектом"  предложен для описания структурных связей мозга  поскольку позволяет: охарактеризовать его свойства связности; выявить центральные узлы нейронов, необходимые для интеграции информации; определить области тесно взаимосвязанных нейронов и значимые пути передачи информации. 

Во время сенсорного восприятия интенсивность стимула «кодируется» скоростью нервных импульсов с течением времени, однако, интервалы между спайками отдельных нейронов также содержат информацию

Представления о "сетях r-белков" рибосом постепенно эволюционировали от «нейроноподобных цепей» в молекулярном масштабе, до "молекулярного мозга"

Определения понятий "мозг" и "психика" уместно давать в "ментальном пространстве" материальных и идеалистических подходах

Литература 

Adler, J. (1983). Bacterial chemotaxis and molecular neurobiology. In Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology (Vol. 48, pp. 803-804). Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Baluška, F., Mancuso, S., Volkmann, D., & Barlow, P. (2009). The ‘root-brain’hypothesis of Charles and Francis Darwin: revival after more than 125 years. Plant signaling & behavior, 4(12), 1121-1127.

Barabasi, A. L., & Oltvai, Z. N. (2004). Network biology: understanding the cell's functional organization. Nature reviews genetics, 5(2), 101-113.

Binet, A. (1889). The psychic life of micro-organisms. Open court publishing Company.

Di Lorenzo, P. M., Chen, J. Y., & Victor, J. D. (2009). Quality time: representation of a multidimensional sensory domain through temporal coding. Journal of Neuroscience, 29(29), 9227-9238.

Droulez, J., Colliaux, D., Houillon, A., & Bessière, P. (2015). Toward biochemical probabilistic computation. arXiv preprint arXiv:1511.02623.

Galperin, M. Y. (2005). A census of membrane-bound and intracellular signal transduction proteins in bacteria: bacterial IQ, extroverts and introverts. BMC microbiology, 5, 1-19.

Gerstner, W., Kreiter, A. K., Markram, H., & Herz, A. V. (1997). Neural codes: firing rates and beyond. Proceedings of the National Academy of Sciences, 94(24), 12740-12741.

Grant, S. G. (2018). Synapse molecular complexity and the plasticity behaviour problem. Brain and neuroscience advances, 2, 2398212818810685.

Hahn, G., Ponce-Alvarez, A., Deco, G., Aertsen, A., & Kumar, A. (2019). Portraits of communication in neuronal networks. Nature Reviews Neuroscience, 20(2), 117-127.

Koshland Jr, D. E. (1980). Bacterial chemotaxis in relation to neurobiology. Annual Review of Neuroscience, 3(1), 43-75.

Lambert, X. (2019). Les enjeux cognitifs de l'artefact esthétique. Editions L'Harmattan.

Putney, J., Conn, R., & Sponberg, S. (2019). Precise timing is ubiquitous, consistent, and coordinated across a comprehensive, spike-resolved flight motor program. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(52), 26951-26960.

Rubinov, M., & Sporns, O. (2010). Complex network measures of brain connectivity: uses and interpretations. Neuroimage, 52(3), 1059-1069.

Sotelo, C. (2020). The history of the synapse. The Anatomical Record, 303(5), 1252-1279.

Stock, J., & Levit, M. (2000). Signal transduction: hair brains in bacterial chemotaxis. Current Biology, 10(1), R11-R14

Timsit, Y., Sergeant-Perthuis, G., & Bennequin, D. (2021). Evolution of ribosomal protein network architectures. Scientific reports, 11(1), 625.

Timsit Y., Grégoire S-P. Towards the Idea of Molecular Brains.  Int J Mol Sci. 2021 Nov; 22(21): 11868.

Van Den Heuvel, M. P., & Sporns, O. (2011). Rich-club organization of the human connectome. Journal of Neuroscience, 31(44), 15775-15786.